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Using optimization to design a renewable energy system has become a computationally demanding task as the high temporal fluctuations of demand and supply arise within the considered time series. The aggregation of typical operation periods has become a popular method to reduce effort. These operation periods are modelled independently and cannot interact in most cases. Consequently, seasonal storage is not reproducible. This inability can lead to a significant error, especially for energy systems with a high share of fluctuating renewable energy. The previous paper, “Time series aggregation for energy system design: Modeling seasonal storage”, has developed a seasonal storage model to address this issue. Simultaneously, the paper “Optimal design of multi-energy systems with seasonal storage” has developed a different approach. This paper aims to review these models and extend the first model. The extension is a mathematical reformulation to decrease the number of variables and constraints. Furthermore, it aims to reduce the calculation time while achieving the same results.
The Solar-Institute Jülich (SIJ) has initiated the construction of the first and only German solar tower power plant and is now involved in the accompanying research. The power plant for experimental and demonstration purposes in the town of Jülich started supplying electric energy in the beginning of 2008. The central receiver plant features as central innovation an open volumetric receiver, consisting of porous ceramic elements that simultaneously absorb the concentrated sunlight and transfer the heat to ambient air passing through the pores so that an average temperature of 680°C is reached. The subsequent steam cycle generates up to 1.5 MWe. A main field of research at the SIJ is the optimization of the absorber structures. To analyze the capability of new absorber specimens a special test facility was developed and set up in the laboratory. A high-performance near-infrared radiator offers for single test samples a variable and repeatable beam with a power of up to 320 kW/m² peak. The temperatures achieved on the absorber surface can reach more than 1000°C. To suck ambient air through the open absorber - like on the tower - it is mounted on a special blower system. An overview about the test facility and some recent results will be presented.
The cost of solar tower power plants is dominated by the heliostat field making up roughly 50% of investment costs. Classical heliostat design is dominated by mirrors brought into position by steel structures and drives that guarantee high accuracies under wind loads and thermal stress situations. A large fraction of costs is caused by the stiffness requirements of the steel structure, typically resulting in ~ 20 kg/m² steel per mirror area. The typical cost figure of heliostats (figure mentioned by Solucar at Solar Paces Conference, Seville, 2006) is currently in the area of 150 €/m² caused by the increasing price of the necessary raw materials. An interesting option to reduce costs lies in a heliostat design where all moving parts are protected from wind loads. In this way, drives and mechanical layout may be kept less robust, thereby reducing material input and costs. In order to keep the heliostat at an appropriate size, small mirrors (around 10x10 cm²) have to be used, which are placed in a box with a transparent cover. Innovative drive systems are developed in order to obtain a cost-effective design. A 0,5x0,5 m² demonstration unit will be constructed. Tests of the unit are carried out with a high-precision artificial sun unit that imitates the sun’s path with an accuracy of less than 0.5 mrad and creates a beam of parallel light with a divergence of less than 4 mrad.
Simulationsprogramme in der Solarenergie-Ausbildung / Blum, K. ; Göttsche, J. ; Schumacher, J.
(1994)
Large scale central receiver systems typically deploy between thousands to more than a hundred thousand heliostats. During solar operation, each heliostat is aligned individually in such a way that the overall surface normal bisects the angle between the sun’s position and the aim point coordinate on the receiver. Due to various tracking error sources, achieving accurate alignment ≤1 mrad for all the heliostats with respect to the aim points on the receiver without a calibration system can be regarded as unrealistic. Therefore, a calibration system is necessary not only to improve the aiming accuracy for achieving desired flux distributions but also to reduce or eliminate spillage. An overview of current larger-scale central receiver systems (CRS), tracking error sources and the basic requirements of an ideal calibration system is presented. Leading up to the main topic, a description of general and specific terms on the topics heliostat calibration and tracking control clarifies the terminology used in this work. Various figures illustrate the signal flows along various typical components as well as the corresponding monitoring or measuring devices that indicate or measure along the signal (or effect) chain. The numerous calibration systems are described in detail and classified in groups. Two tables allow the juxtaposition of the calibration methods for a better comparison. In an assessment, the advantages and disadvantages of individual calibration methods are presented.
Im Projekt Coolplan‐ AIR geht es um die Fortentwicklung und Feld‐ Validierung eines Berechnungs‐ und Auslegungstools zur energieeffizienten Kühlung von Gebäuden mit luftgestützten Systemen. Neben dem Aufbau und der Weiterentwicklung von Simulationsmodellen erfolgen Vermessungen der Gesamtsysteme anhand von Praxisanlagen im Feld. Eine der betrachteten Anlagen arbeitet mit indirekter Verdunstung. Diese Veröffentlichung zeigt den Entwicklungsprozess und den Aufbau des Simulationsmodells zur Verdunstungskühlung in der Simulationsumgebung Matlab‐ Simulink mit der CARNOT‐ Toolbox. Das besondere Augenmerk liegt dabei auf dem physikalischen Modell des Wärmeübertragers, in dem die Verdunstung implementiert ist. Dem neuen Modellansatz liegt die Annahme einer aus der Enthalpie‐ Betrachtung hergeleiteten effektiven Wärmekapazität zugrunde. Des Weiteren wird der Befeuchtungsgrad als konstant angesehen und eine standardisierte Zunahme der Wärmeübertragung des feuchten gegenüber dem trockenen Wärmeübertrager angenommen. Die Validierung des Modells erfolgte anhand von Literaturdaten. Für den trockenen Wärmetauscher ist der maximale absolute Fehler der berechneten Austrittstemperatur (Zuluft) kleiner als ±0.1 K und für den nassen Wärmetauscher (Kühlfall) unter der Annahme eines konstanten Verdunstungsgrades kleiner als ±0.4 K.
The optical performance of a 2-axis solar concentrator was simulated with the COMSOL Multiphysics® software. The concentrator consists of a mirror array, which was created using the application builder. The mirror facets are preconfigured to form a focal point. During tracking all mirrors are moved simultaneously in a coupled mode by 2 motors in two axes, in order to keep the system in focus with the moving sun. Optical errors on each reflecting surface were implemented in combination with the solar angular cone of ± 4.65 mrad. As a result, the intercept factor of solar radiation that is available to the receiver was calculated as a function of the transversal and longitudinal angles of incidence. In addition, the intensity distribution on the receiver plane was calculated as a function of the incidence angles.
Mit dem Beitrag des Teams der FH Aachen zum SDE 21/22 wird im Projekt LOCAL+ ein kreislauffähiger Holzmodulbau mit einem innovativen Wohnraumkonzept geplant und umgesetzt. Ziel dieses Konzeptes ist die Verringerung des stetig steigenden Wohnflächenbedarfs durch ein Raum-in-Raum Konzept. Gebäudetechnisch wird in dem Projekt nicht nur das Einzelgebäude betrachtet, sondern unter Berücksichtigung des Gebäudebestandes wird für das Quartier ein innovatives und nachhaltiges Energiekonzept entwickelt. Ein zentrales Wasserstoffsystem ist für ein Quartier geplant, um den Stromverbrauch aus dem Netz im Winter zu reduzieren. Zentraler Bestandteil des TGA-Konzepts ist ein unterirdischer Eisspeicher, eine PVT und eine Wärmepumpe mit intelligenter Regelstrategie. Ein Teil des neuen Gebäudes (Design Challenge DC) wird in Wuppertal als Hausdemonstrationseinheit (HDU) präsentiert. Eine hygrothermische Simulation der HDU wurde mit der WUFI-Software durchgeführt. Da im Innenraum Lehmmodule und -platten als Feuchtigkeitspuffer verwendet werden, spielen die Themen Feuchtigkeit, Holzfäule und Schimmelwachstum eine wichtige Rolle.
Koaxiale Stahlenergiepfähle
(2021)
Ein entscheidender Teil der Energiewende ist die Wärmewende im Gebäudesektor. Ein Schlüsselelement sind hier Wärmepumpen. Diese benötigen eine Wärmequelle, der sie Energie entziehen können, um sie auf ein höheres Temperaturniveau zu transformieren. Diese Wärmequelle kann bspw. das Erdreich sein, dessen Wärme durch Erdsonden erschlossen werden kann. In diesem Beitrag werden in Stahlpfähle integrierte Koaxialsonden mit dem Stand der Technik von Erdsonden gleichen Durchmessers bezüglich ihrer thermischen Leistungsmerkmale verglichen. Die Stahlenergiepfähle bieten neben der Wärmegewinnung weitere Vorteile, da sie auch eine statische Funktion übernehmen und rückstandsfrei zurückgebaut werden können. Es werden analytische und numerische Berechnungen vorgestellt, um die thermischen Potenziale beider Systeme zu vergleichen. Außerdem wird ein Testaufbau gezeigt, bei dem Stahlenergiepfähle in zwei verschiedenen Längen mit vorhandenen gängigen Erdsonden verglichen werden können. Die Berechnungen zeigen einen deutlichen thermischen Mehrertrag zwischen 26 % und 148 % der Stahlenergiepfähle gegenüber dem Stand der Technik abhängig vom Erdreich. Die Messergebnisse zeigen einen thermischen Mehrertrag von über 100 %. Es lässt sich also signifikante Erdsondenlänge einsparen. Dabei ist zu beachten, dass sich damit der thermisch genutzte Bereich des Erdreichs reduziert, wodurch die thermische Regeneration und/oder das Langzeitverhalten des Erdreichs an Bedeutung gewinnt.
Solar thermal concentrated power is an emerging technology that provides clean electricity for the growing energy market. To the solar thermal concentrated power plant systems belong the parabolic trough, the Fresnel collector, the solar dish, and the central receiver system.
For high-concentration solar collector systems, optical and thermal analysis is essential. There exist a number of measurement techniques and systems for the optical and thermal characterization of the efficiency of solar thermal concentrated systems.
For each system, structure, components, and specific characteristics types are described. The chapter presents additionally an outline for the calculation of system performance and operation and maintenance topics. One main focus is set to the models of components and their construction details as well as different types on the market. In the later part of this chapter, different criteria for the choice of technology are analyzed in detail.
Solar thermal concentrated power is an emerging technology that provides clean electricity for the growing energy market. To the solar thermal concentrated power plant systems belong the parabolic trough, the Fresnel collector, the solar dish, and the central receiver system.
For high-concentration solar collector systems, optical and thermal analysis is essential. There exist a number of measurement techniques and systems for the optical and thermal characterization of the efficiency of solar thermal concentrated systems.
For each system, structure, components, and specific characteristics types are described. The chapter presents additionally an outline for the calculation of system performance and operation and maintenance topics. One main focus is set to the models of components and their construction details as well as different types on the market. In the later part of this article, different criteria for the choice of technology are analyzed in detail.
Eldorado summer schools
(1994)